Planetväxellåda för traverskranar: Hur fyra komponenter skapar flera utväxlingsförhållanden

Ta isär en automatväxellåda, en planetväxellåda för traverskranar eller vissa robotledsreducerare, så kommer du gång på gång att se en mycket distinkt kugghjulsstruktur: ett litet kugghjul i mitten, flera små kugghjul runt det och en yttre ring med inre tänder.

Den ser ut som inget annat än "flera kugghjul arrangerade i en cirkel", men den kan åstadkomma hastighetsreducering, hastighetsökning, reverserad rotation och koaxial transmission på ett mycket litet utrymme. Den kan till och med producera en helt annan planetväxel genom att helt enkelt ändra vilken komponent som är fast, vilken som är ingången och vilken som är utgången.

Detta är en planetväxel. Det som gör den kraftfull är inte antalet kugghjul, utan det strikta kinematiska förhållandet mellan dess fyra kärnkomponenter.

Kom ihåg en sak först: en planetväxel ändrar inte sitt utväxlingsförhållande genom att "byta till en annan uppsättning kugghjul". Istället omfördelar den rörelsen för hela kugghjulet genom att ändra ingångs-, utgångs- och fasta förhållanden mellan solhjulet, ringhjulet och planetbäraren.

1. Vilka är de fyra komponenterna i en planetväxellåda?

1.1 Solväxel: Systemets centrala växel

Solhjulet är placerat i mitten och går normalt i ingrepp med flera planethjul samtidigt. I många reduktionsväxlar är ingångsaxeln på en elmotor eller hydraulmotor direkt ansluten till solhjulet, så det är ofta den som bär höghastighetsingången. Antalet kuggar på solhjulet betecknas med Z._s, och dess vinkelhastighet med ω_s.

1.2 Planetkugghjul: Roterar kring sina egna axlar medan de kretsar kring solen

Planethjulen är den mest intressanta delen av mekanismen. Varje planethjul roterar runt sin egen axel samtidigt som det roterar runt solhjulet med planethållaren. Samtidigt är det i ingrepp med både solhjulet och det inre ringhjulet.

Att öka antalet planetväxlar förändrar inte den teoretiska utväxlingen för en enkel planetväxelmekanism. Men när konstruktionen är lämplig och lastdelningen är god kan flera planetväxlar dela lasten. Detta är en anledning till att en planetväxel kan uppnå hög momenttäthet.

1.3 Ringdrev: Omslutning av hela drevuppsättningen

Ringdrevet är placerat på utsidan, med tänderna inåt. Det bildar ett invändigt ingrepp med planetdreven. Ringdrevet kan vara fast eller användas som antingen ingående eller utgående element. Antalet tänder på ringdrevet betecknas med Z._r, och dess vinkelhastighet med ω_r.

1.4 Planetbärare: Att bestämma hur planeterna rör sig som en grupp

Planethjulen roterar inte utan stöd. Deras axlar är monterade på planethjulshållaren. Hållaren sammankopplar planethjulen till en enhet, så bärarens rotation representerar planethjulens varv runt solhjulet. Hållarens vinkelhastighet betecknas med ω_cI många industriella reducerväxlar är ett vanligt arrangemang att fixera ringdrevet, använda soldrevet som ingång och använda planethjulet som utgång.

2. Den verkliga kärnan i planetväxeln: En ekvation länkar samman de tre roterande delarna

I en vanlig kugghjulslinje med fast axel är positionerna för de två kugghjulsaxlarna fasta, så utväxlingen är relativt intuitiv. En planetväxel är annorlunda: planethjulens axlar rör sig med planethållaren, så den enkla regeln med "drivhjulets tänder dividerade med drivhjulets tänder" kan inte tillämpas direkt.

För den vanligaste enkla planetväxeluppsättningen uttrycker Willisekvationen hastighetsförhållandet mellan solhjulet, ringhjulet och planetbäraren:

Här, ωₛ, ωᵣ, och ω꜀ är vinkelhastigheterna för solhjulet, ringhjulet respektive planetbäraren; Zₛ och Zᵣ är antalet tänder på soldrevet och ringdrevet.

Den viktigaste delen av denna ekvation är inte minustecknet, utan det faktum att ω꜀ subtraheras från båda hastigheterna. Med andra ord måste ingreppsförhållandet i en planetväxel förstås i en referensram som roterar tillsammans med planetväxeln.

När hastigheten eller det fasta tillståndet för två element är känt kan hastigheten för den tredje beräknas. Samma kugghjulsuppsättning kan därför producera helt olika rörelseresultat utan att ändra antalet kuggar.

Varför verkar detta så genialt? Bland solhjulet, ringhjulet och planetbäraren ger det olika kombinationer av reduktion, hastighetsökning eller omvänd rotation om man fixerar en del och väljer ingång och utgång från de andra två. Strukturen förblir oförändrad, men rörelseförhållandet förändras.

3. Det vanligaste arrangemanget: Fast ringdrev, solingång, bärvågsutgång

Detta är ett vanligt grundarrangemang i traverskranars växellådor, svängreducerare och många industriella planetväxlar. Låt ringdrevet vara fixerat, så ωᵣ = 0Om man sätter in detta villkor i Willis-ekvationen får man:

Om solhjulet har 20 tänder och ringhjulet har 60 tänder:

Solhjulet roterar fyra varv medan planethjulet roterar ungefär ett varv. Om solhjulets ingående hastighet är 1 200 r/min, så är planethjulets teoretiska utgångsvarvtal, bortsett från förluster, cirka 300 r/min.

Detta är en typisk hastighetsreduktion med momentmultiplikation. I teorin, när förluster ignoreras, ökar en minskning av hastigheten till ungefär en fjärdedel det utgående vridmomentet i motsvarande grad. Den faktiska utrustningen måste också ta hänsyn till kugghjulsingreppsförluster, lagerförluster, smörjförhållanden och andra faktorer.

4. Samma kugghjul ger helt olika resultat när en annan del fixeras

En vanlig missuppfattning är att en planetväxel naturligtvis bara har ett utväxlingsförhållande. Utväxlingsförhållandet bestäms inte bara av antalet kuggar, utan också av vilken del som är fast, vilken som är ingången och vilken som är utgången.

Om alla tre huvudelementen tillåts röra sig, och en del styrs av en koppling, broms eller annan kraftkälla, kan systemet tillhandahålla mer komplexa flerväxlade växellådor eller kraftdelningsfunktioner. Detta är en viktig anledning till att planetväxelsatser används flitigt i automatlådor och hybridkraftdelningsmekanismer.

5. Varför kan en planetväxel överföra högt vridmoment i ett så litet utrymme?

Anledningen är inte mystisk. Nyckeln är "flera samtidiga nätpunkter plus koaxial arrangemang".

I ett vanligt kugghjulspar är huvudbelastningen koncentrerad på ett ingripande par. I en planetmekanism kan flera planethjul gripa in i solhjulet och ringhjulet samtidigt. När konstruktionen är lämplig och lastfördelningen är jämn kan ingångsmomentet delas av flera planethjul.

Samtidigt kan solhjulet, ringhjulet och planethjulet placeras på samma axel. Ingående och utgående axlar behöver inte vara förskjutna i sidled som i en vanlig parallellaxelreducerare. Resultatet är högre momenttäthet och ett mer kompakt arrangemang inom en liknande totalstorlek.

Emellertid bör "fler planetväxlar" inte förstås alltför enkelt.

Att öka antalet planetväxlar ändrar inte det teoretiska utväxlingsförhållandet, men det betyder inte att lasten automatiskt fördelas jämnt. Tillverkningsfel, stigningsfel, lagerspel, planettapparnas positioneringsnoggrannhet och strukturell deformation påverkar alla lastfördelningen. Planetväxlar med hög belastning kräver ofta dedikerad lastfördelningskonstruktion.

6. Varför är planetväxlar särskilt populära i automatväxellådor?

En planetväxel har en fördel som är svår för en vanlig kugghjulslinje med fast axel att tillhandahålla samtidigt: kopplingar och bromsar kan styra inkoppling och låsning av olika delar, vilket gör att samma kugghjulssats kan producera flera utväxlingsförhållanden.

Som ett konceptuellt exempel kan ett kugghjulsläge fixera ringhjulet, använda solhjulet som ingång och använda planethjulet som utgång. Ett annat kugghjulsläge ändrar den låsta delen. En koppling kan också låsa två delar tillsammans för att producera ett direktdrivningstillstånd nära 1:1.

Det betyder att transmissionen inte behöver ett helt separat kugghjulspar med fast axel för varje växelläge. Dess struktur kan vara mer kompakt och dess växlingslogik kan vara mer flexibel.

Det bör betonas att moderna automatväxellådor normalt använder sammansatta planetväxelsatser, flera planetrader och kombinationer av flera kopplingar. Deras faktiska utväxlingsberäkningar är mycket mer komplexa än de för en enda enkel planetväxelsats.

7. Varför förlitar sig traverskranar och byggmaskiner på planetväxlar?

Planetväxlar finns i grävmaskiners åkmotorer, traverskranars åkmekanismer och vissa svängmekanismer. växellådor för vinschkranaroch stora industriella drivenheter.

Traverskranar och byggmaskiner måste lösa en typisk konflikt: hydraulmotorn eller elmotorn går med relativt hög hastighet, medan drivhjulet, rep trumma, eller svängmekanismen kräver låg hastighet och högt vridmoment. Samtidigt är installationsutrymmet ofta mycket begränsat.

En planetreducerare är väl lämpad för dessa driftsförhållanden: den är koaxiell och kompakt, kan ge ett stort reduktionsförhållande och kan använda flera steg i serie för att ytterligare minska hastigheten och öka utgångsmomentet.

En planetväxel är dock inte en universell lösning som fungerar bara genom att installeras. Den faktiska konstruktionen måste också kontrollera kontakthållfasthet mellan kugg och yta, böjhållfasthet mellan kugg och rot, lagerlivslängd, belastning på planetstift, smörjning, termisk balans, verkningsgrad, stötbelastning och bromskrav.

8. Ett lätt förbisedd geometriskt tillstånd: Tandantal kan inte väljas godtyckligt

I en enkel planetväxel måste solhjulet, planethjulen och ringhjulet uppfylla ett grundläggande geometriskt förhållande. För en enkel anordning med samma modul och standardingrepp är det vanliga förhållandet:

Om solhjulet har 20 kuggar och planethjulet har 20 kuggar, behöver ringhjulet normalt 60 kuggar för att uppfylla förhållandet mellan centrumavstånd.

Om flera planethjul ska placeras jämnt måste även monteringsfasen och eventuell geometrisk interferens mellan intilliggande planethjul kontrolleras. Med andra ord är beräkning av ett utväxlingsförhållande bara det första steget. Ytterligare design krävs för att göra kugghjulsuppsättningen tillverkningsbar, monteringsbar och kapabel att bära lasten.

9. Fyra påståenden räcker för att förstå en planetväxeluppsättning

• Solhjulet är i centrum; planethjulen roterar kring sina egna axlar och kretsar runt solen; ringhjulet omger dem; och planetbäraren bär planethjulen runt som en grupp.
• Antalet planetväxlar ändrar i allmänhet inte det teoretiska utväxlingsförhållandet, men kugghjulen kan dela lasten när lastfördelningen är korrekt utformad.
• Samma planetväxel kan producera olika reduktions-, hastighetsöknings- eller omvändningsförhållanden genom att ändra den fasta delen, ingångsdelen och utgångsdelen.
• Det vanligaste reduktionsarrangemanget fixerar ringdrevet, använder soldrevet som ingång och använder planethjulet som utgång. I det här fallet, i = 1 + Zᵣ / Zₛ.

Slutanmärkning: Dess verkliga styrka är inte antalet kugghjul, utan användningen av frihetsgrader.

En vanlig kugghjulsdrift är mer som två personer som håller hand: den ena roterar och den andra följer efter, så förhållandet är direkt. En planetväxel är mer som en grupp människor som rör sig tillsammans på en roterande plattform. Plattformen i sig kan röra sig, och den yttre ringen kan också röra sig, så samma kugghjulskombination kan ge helt olika resultat.

Detta är den mest fascinerande funktionen hos en planetväxel. Med fyra kärnkomponenter – solhjulet, planethjulen, ringhjulet och planethållaren – kombinerar den kompakt struktur, flera utväxlingsförhållanden, koaxial transmission och hög momenttäthet i en enda mekanism.

Nästa gång du ser en planetväxel på en byggmaskin, ställ först tre frågor: Vilken del är fast? Vilken del är ingången? Vilken del är utgången? När dessa tre frågor är besvarade kan du i princip förstå varför planetväxeln roterar som den gör.

Obs: Denna artikel är avsedd som en introduktion till mekaniska principer. Ekvationerna är baserade på de kinematiska sambanden för en ideal enkel planetväxel. Faktisk design av traverskranväxellådor måste också ta hänsyn till modifiering av kuggprofil, tillverkningsnoggrannhet, lastdelning, hållfasthet, effektivitet, smörjning, lager och termisk balans.

Zora Zhao

Expert på traverskran/portalkran/fockkran/krandelarlösningar

Med 10+ års erfarenhet inom kranens utomeuropeiska exportindustri, hjälpte 10 000+ kunder med deras frågor och funderingar före försäljning, om du har några relaterade behov, var god kontakta mig!

WhatsApp: +86 189 3735 0200

E-post: zorazhao@dgcrane.com